孔隙水對河堤加筋擋墻靜力學(xué)特性影響的物理模型試驗分析

李泊溪，趙 磊

(遼寧天陽工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110001)

當(dāng)前，孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻穩(wěn)定性影響較大，為設(shè)計河道堤防生態(tài)加筋的穩(wěn)定性，需要分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋的靜力學(xué)特性進(jìn)行研究，近些年來，國內(nèi)許多學(xué)者結(jié)合土力學(xué)模型分析孔隙水對河道堤防的穩(wěn)定性影響[1- 6]，這些成果均認(rèn)為孔隙水與河道堤防之間土層壓力存在較大的相關(guān)性，對河道堤防的穩(wěn)定性影響較大。近些年來，生態(tài)加筋擋墻在河道堤防工程設(shè)計中逐步得到應(yīng)用[7- 9]，而孔隙水對河道生態(tài)加筋擋墻的靜力學(xué)特性影響研究較少，為此本文引入靜力學(xué)模型并結(jié)合物理模型試驗方式分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的靜力學(xué)特性的影響。研究成果將為分析孔隙水對河道生態(tài)加筋擋墻穩(wěn)定影響提供參考依據(jù)。

1 計算模型原理

孔隙水對生態(tài)加筋擋墻靜力學(xué)特性的影響，其主要生態(tài)加筋擋墻的土壓力的計算，其土壓力系數(shù)進(jìn)行計算，計算方程為：

(1)

式中，Ka—土壓力系數(shù)；θ—生態(tài)加筋擋墻的水平方向夾角，(°)；φ—土層內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)?shù)趇層生態(tài)加筋擋墻柵格垂向距離在6m以下，土層壓力系數(shù)計算方程為：

(2)

式中，Ki—第i層土層壓力系數(shù)值；Kj’—土層靜力學(xué)壓力系數(shù)；Zi—第i根加筋柵格的垂向距離，m。

當(dāng)?shù)趇層生態(tài)加筋擋墻柵格垂向距離在6m以上時，土層壓力系數(shù)計算方程為：

(3)

在土層靜力學(xué)計算的基礎(chǔ)上，生態(tài)加筋擋墻面板的垂向壓力計算方程：

σzi=Kiγzi

(4)

在進(jìn)行垂向壓力的同時，對生態(tài)加筋擋墻水平方向的壓力進(jìn)行計算，計算方程為：

(5)

式中，q—單位柵格加載的強(qiáng)度，kPa；Lc—生態(tài)加筋擋墻荷載寬度，m；Lci—垂向距離zi的擴(kuò)散性荷載強(qiáng)度，kPa。

則作用在生態(tài)加筋擋墻水平方向上的總壓力計算方程為：

∑σEi=σzi+σai

(6)

式中，σEi—水平方向上的總壓力，kPa。

垂向距離zi處各柵格水平方向拉力計算方程為：

Ti=∑σEi·Sy

(7)

式中，Ti—水平方向上總的壓力，kPa。

則垂向距離上的加筋擋墻的抗拔強(qiáng)度計算方程為：

(8)

式中，Tpi—垂向距離的抗拔強(qiáng)度值，kPa；f′—土層之間的摩擦系數(shù)值；bi—加筋擋墻的柵格寬度，m；Lai—生態(tài)加筋擋墻的錨固長度，m。

理論計算模型采用以下方程對孔隙水影響下的生態(tài)加筋擋墻的靜力穩(wěn)定性進(jìn)行驗證，驗證方程為：

Tpi>γ0γR1γQ1Ti

(9)

式中，γ0—強(qiáng)度系數(shù)；γR1—柵格加筋擋墻的強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù)；γQ1—荷載壓力系數(shù)。

孔隙水對生態(tài)加筋擋墻抗拉強(qiáng)度驗算方程為：

TK>γ0γR1γfγR2Ti

(10)

式中，γR2—柵格加筋擋墻的抗拉調(diào)節(jié)系數(shù)；γf—柵格分項調(diào)節(jié)系數(shù)。

2 模型應(yīng)用

2.1 物理試驗說明

為分析孔隙水河道堤防生態(tài)加筋擋墻的靜力學(xué)特性的影響，分別結(jié)合穩(wěn)定性試驗和充水破壞試驗分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的穩(wěn)定

性和抗拔強(qiáng)度。其中在穩(wěn)定性試驗中，分別計算了不同垂向深度下的穩(wěn)定系數(shù)。在充水試驗中，分析不同充水條件下孔隙水對河堤加筋擋墻的破壞程度，并結(jié)合透水試驗分析不同直徑鋼筋下?lián)鯄Φ耐杆省?/p>

2.2 孔隙水對生態(tài)加筋擋墻靜力影響下的穩(wěn)定性試驗

為分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻靜力影響下的穩(wěn)定性，對不同垂向深度下的孔隙水對生態(tài)加筋擋墻的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了計算，分析計算結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，隨著生態(tài)加筋擋墻垂向距離的增加，其穩(wěn)定系數(shù)在0.55～0.79之間變化，總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)垂向距在1.95m后，其穩(wěn)定系數(shù)變幅較小，生態(tài)加筋擋墻的面板壓力也逐步趨于穩(wěn)定，這主要是因為隨著垂向深度的增加，孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的影響也逐步減弱，其河道堤防生態(tài)加筋擋墻的穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度減小，逐步趨于穩(wěn)定。因此垂向深度為2.00m時，其達(dá)到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 充水試驗下生態(tài)加筋擋墻的強(qiáng)度破壞試驗

在穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合充水試驗分析了不同充水條件下孔隙水對河道生態(tài)加筋擋墻的破壞強(qiáng)度嗎，試驗分析結(jié)果見表2。

表1 孔隙水對生態(tài)加加筋擋墻靜力影響下的穩(wěn)定性試驗

表2孔隙充水試驗下對生態(tài)加加筋擋墻強(qiáng)度破壞試驗結(jié)果

充水條件σ/MPaP/MPaσ'/MPaσmax/MPaε1maxθ/(°)非充水10.511.125.40.003572.130.58.121.20.005165.150.57.418.50.006261.270.56.316.30.007854.890.55.212.10.008353.2充水12.04.642.10.004965.534.06.552.30.006167.256.08.665.20.006369.678.09.275.50.007271.3910.012.085.30.007573.5充水122.05.078.90.005981.5315.07.0112.50.007279.8513.011.0123.40.008376.5710.012.0135.60.009674.398.015.0140.90.011371.2

從表2中可以看出，河道堤防生態(tài)加筋擋墻在同一壓力條件下，相比于非充水條件，其孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻破壞程度最為明顯，其中隨著孔隙水壓力的逐漸增大，河道堤防加筋擋墻在水平和垂直方向的峰值破壞度均呈現(xiàn)增加的變化趨勢，其中在充水條件下，其峰值破壞度σmax在42.1～140.9MPa之間變化，非充水條件生態(tài)加筋擋墻的壓力逐漸減小且峰值破壞強(qiáng)度有所減弱。

2.4 正向透水下生態(tài)加筋擋墻的透水試驗

在破壞強(qiáng)度試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合正向透水試驗分析了不同鋼筋直徑下的擋墻的透水率，試驗分析結(jié)果見表3和圖1。

表3 不同生態(tài)加筋直徑下?lián)鯄Φ恼蛲杆囼灲Y(jié)果

注：φ表示加筋直徑;各水頭下數(shù)值表示透水率，mm/L。

圖1 不同直徑下生態(tài)加筋擋墻的透水率變化過程

從表3中可以看出，隨著孔隙水水頭的增加，各直徑下的生態(tài)加筋擋墻的透水率逐步增加，這主要是因為在正向透水試驗下，隨著孔隙水頭的增加，河道堤防生態(tài)加筋擋墻的水平和垂向的壓力逐步增加，使得各直徑下的生態(tài)加筋擋墻的透水率增加。從表中還可看出，隨著直徑的增加同一孔隙水水頭下，其透水率也逐步增加，這主要是因為直徑增加后，其透水量也逐步增加，使得透水率逐步加大。從圖1中可以看出，在φ從10mm增加大20mm時，其不同水頭的透水率變化呈現(xiàn)曲線變化，而從25mm開始起透水率變化較為單一穩(wěn)定。這主要是因為在較小直徑下，河道堤防生態(tài)加筋擋墻的透水率受到影響要素較多，而較大直徑后，這種影響逐步削弱，使得其透水率變化較為穩(wěn)定。

2.5 充水條件下孔隙水對生態(tài)加筋擋墻的有效峰值破壞強(qiáng)度試驗

為分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻有效峰值的破壞強(qiáng)度，結(jié)合充水試驗分析了不同強(qiáng)度下的擋墻有效峰值的破壞強(qiáng)度，并分析了不同充水條件下河道堤防生態(tài)加筋擋墻的τ～σ關(guān)系曲線，結(jié)果見表4、5及圖2。

表4 非充水條件下的生態(tài)加筋擋墻有效峰值破壞強(qiáng)度試驗結(jié)果

表5 水條件下的生態(tài)加筋擋墻有效峰值破壞強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖2 充水試驗條件下生態(tài)加筋擋墻τ～σ關(guān)系曲線

從表4、5中可以看出，在非充水條件下，由于孔隙水的左右，其河道堤防的生態(tài)加筋擋墻受到水壓力的作用，其有效峰值破壞強(qiáng)度逐步增加，隨著孔隙水有效破壞度的增加，隨和孔隙水有效壓力的增加，其對生態(tài)加筋擋墻的破壞程度逐步增加，但幅度逐步減弱。而在充水條件下，隨著孔隙水有效壓力的增加，其對對生態(tài)加筋擋墻的破壞程度逐步增加，但幅度增加較為明顯。從圖2中可以看出，充水條件下生態(tài)加筋擋墻的τ～σ關(guān)系曲線呈現(xiàn)明顯線性變化，而非充水條件下則呈現(xiàn)較為復(fù)雜的曲線變化。

3 結(jié)語

本文結(jié)合物理模型觀測試驗方式分析孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的靜力學(xué)特性影響，試驗取得以下結(jié)論：

(1)垂向深度的增加，孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的影響較大，其穩(wěn)定性逐步減弱但趨于穩(wěn)定，在實(shí)際工程中，應(yīng)首先確定孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻影響的最佳垂向深度。

(2)充水條件下，隨著水頭增加，孔隙水對河道堤防生態(tài)加筋擋墻的強(qiáng)度破壞逐步增加，應(yīng)盡量減少孔隙水壓力。

(3)直徑大小直接影響孔隙水對堤防生態(tài)加筋擋墻靜水壓力，在工程設(shè)計中，應(yīng)合理設(shè)置直徑大小，減少孔隙水的靜水壓力。

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